CN116666689A - 一种燃料电池系统低温冷启动控制方法及燃料电池系统 - Google Patents
一种燃料电池系统低温冷启动控制方法及燃料电池系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116666689A CN116666689A CN202310953116.6A CN202310953116A CN116666689A CN 116666689 A CN116666689 A CN 116666689A CN 202310953116 A CN202310953116 A CN 202310953116A CN 116666689 A CN116666689 A CN 116666689A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fuel cell
- cell stack
- cell system
- communicated
- hydrogen
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 211
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 86
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 74
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 74
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 72
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 21
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 7
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 3
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 3
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 2
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
- H01M8/04022—Heating by combustion
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
- H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
- H01M8/04253—Means for solving freezing problems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
- H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
- H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0444—Concentration; Density
- H01M8/04455—Concentration; Density of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本申请涉及燃料电池的技术领域，公开了一种燃料电池系统低温冷启动控制方法及燃料电池系统，其主要包括以下步骤，S1：打开氢气供应组件，使燃料电池电堆的阳极侧压力上升到正常工作压力；S2：打开空气供应组件，使燃料电池电堆的阴极侧压力上升到正常工作压力；S3：关闭燃料电池电堆的空气出口，使空气在燃料电池电堆的阴极侧循环，空气在循环过程中与阴极侧的氢气进行氢氧反应，反应生成热量对燃料电池电堆进行加热。本申请具有在不增加燃料电池系统额外功耗的情况下，缓解燃料电池电堆在低温环境下启动时，容易出现内部的水冻结的问题的效果。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池的领域，尤其是涉及一种燃料电池系统低温冷启动控制方法及燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是按电化学原理,即原电池工作原理,把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际过程是氧化还原反应。
燃料电池系统包括燃料电池电堆、氢气供应系统、空气供应系统、水热管理系统以及电控系统，其中核心部件是燃料电池电堆。燃料电池电堆是氢气和氧气发生电化学反应，将燃料化学能转换为电能的场所。
燃料电池系统在启动过程中会产生水，当燃料电池系统的工作环境温度较低时，燃料电池系统中的水容易结冰，进而对燃料电池系统的启动造成影响，一方面，电堆内部催化层中的冰会覆盖催化剂反应位点，降低反应活性；另一方面，扩散层中的冰会阻碍反应物气体的传导，最终导致燃料电池系统冷启动失败。
目前，现有的燃料电池系统大都是选择加装辅助加热装置，比如加装电热丝进行电加热或者加装燃烧器进行反应加热，在燃料电池系统启动前对电堆内部进行加热，从而缓解燃料电池系统中的水冻结的问题。
针对上述中的相关技术，发明人认为，加装电热丝进行电加热或者加装燃烧器进行反应加热，会增加系统的质量和复杂性，并且还需要额外能耗，存在降低燃料电池效率的缺陷。
发明内容
为了缓解上述问题，本申请提供一种燃料电池系统低温冷启动控制方法。
本申请提供的一种燃料电池系统低温冷启动控制方法，采用如下的技术方案：
一种燃料电池系统低温冷启动控制方法，所述控制方法应用的燃料电池系统包括燃料电池电堆、氢气供应组件和空气供应组件，所述燃料电池电堆的双极板为多孔双极板，所述燃料电池系统停机前进行规定压力氢气循环吹扫，使燃料电池电堆的阴极侧均匀分布氢气气体；所述控制方法主要包括以下步骤，S1：打开氢气供应组件，使燃料电池电堆的阳极侧压力上升到正常工作压力；S2：打开空气供应组件，使燃料电池电堆的阴极侧压力上升到正常工作压力；S3：关闭燃料电池电堆的空气出口，使空气在燃料电池电堆的阴极侧循环，空气在循环过程中与阴极侧的氢气进行氢氧反应，反应生成热量对燃料电池电堆进行加热；S4：当燃料电池电堆的开路电压达到规定数值且燃料电池电堆的阴极侧的氢浓度下降到规定数值时，开启燃料电池电堆的空气出口，燃料电池电堆进入启动状态。
通过采用上述技术方案，燃料电池系统在停机前进行规定压力氢气循环吹扫，吹扫过程中氢气通过多孔双极板到达燃料电池电堆的阴极侧，使燃料电池电堆的阴极侧均匀分布氢气气体；在燃料电池系统启动前，先打开氢气供应系统，待电堆阳极侧压力达到工作压力后，再开启空气供应系统，空压机压缩一定量空气进入电堆阴极侧，待阴极侧压力达到工作压力时，关闭空气出口，使空气在燃料电池电堆的阴极侧循环，空气循环过程中与阴极侧的氢气发生氢氧反应而放热，利用反应放出的热量堆燃料电池电堆的内部进行加热，缓解燃料电池系统在外部环境温度较低的情况下启动时，燃料电池电堆内部的水容易冻结的问题，且不需要增加额外的加热结构，无需增加额外的功耗；除此之外，通过该控制方法，在燃料电池系统启动前，将燃料电池电堆的阴极侧中的氢气消耗完，降低燃料电池系统启动后氢气排除系统导致出现安全问题的可能性。
可选的，S3中，提高空压机的转速，使空气循环更加快速，增加氢氧反应速率。
通过采用上述技术方案，在空气循环过程中，提高空压机的转速，增大空气在燃料电池电堆阴极侧的流动速度，从而提高氢氧反应速率，减少低温冷启动所需要的时间。
本申请还提供了一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆、氢气供应组件、空气供应组件、水热循环组件和电控模块，所述氢气供应组件、空气供应组件和水热循环组件均与燃料电池电堆连通，所述燃料电池电堆内部反应用于产生电能、热能和水，所述电控模块与燃料电池电堆电连接，所述燃料电池电堆的双极板为多孔双极板，所述空气供应组件包括空压机、第一三通、第一截止阀和第一尾排阀，所述空压机通过燃料电池电堆与第一三通的A口连通，所述第一三通的B口与第一尾排阀连通，所述第一尾排阀的另一端与外部环境连通，所述第一三通的C口与第一截止阀连通，所述第一截止阀的另一端与空压机连通。
通过采用上述技术方案，在低温冷启动的过程中，待阴极侧压力达到工作压力时，打开第一截止阀，关闭尾排阀，将阴极出口处空气送回电堆入口，内部形成回路，使空气在燃料电池电堆的阴极侧循环，空气循环过程中与阴极侧的氢气发生氢氧反应而放热，利用反应放出的热量堆燃料电池电堆的内部进行加热，缓解燃料电池系统在外部环境温度较低的情况下启动时，燃料电池电堆内部的水容易冻结的问题。
可选的，所述氢气供应组件包括第二截止阀、引射器、第二三通和第二尾排阀，所述第二截止阀一端与氢气气源连通，所述第二截止阀的另一端与引射器的进气端连通，所述引射器的出气端通过燃料电池电堆与第二三通的A口连通，所述第二三通的B口与第二尾排阀连通，所述第二尾排阀的另一端与外部环境连通，所述第二三通的C口与引射器的进口端连通。
通过采用上述技术方案，在燃料电池系统停机前，第二尾排阀打开，增大向燃料电池电堆内部输送氢气的压力，利用干燥的氢气对燃料电池电堆的阳极进行吹扫，一部分湿润氢气通过引射器进行循环，另一部分湿润氢气通过尾排阀排出并将阳极侧的液态水带出；随着阳极侧干燥氢气的不断补充，最终使阳极侧充满相对干燥的氢气。
可选的，所述引射器与燃料电池电堆之间设置有第二压力检测传感器。
通过采用上述技术方案，在引射器与燃料电池电堆之间设置第二压力检测传感器，利用第二压力检测传感器检测燃料电池电堆阳极侧的压力。
可选的，所述空压机与燃料电池电堆之间设置有第一压力检测传感器。
通过采用上述技术方案，在空压机与燃料电池电堆之间设置第一压力检测传感器，利用第一压力检测传感器检测燃料电池电堆阴极侧的压力。
可选的，所述第一三通的A口与燃料电池电堆之间设置有用于检测燃料电池电堆的阴极侧氢气浓度的氢气浓度传感器。
通过采用上述技术方案，在第二三通的A口与燃料电池电堆之间设置氢气浓度传感器，在冷启动过程中，利用氢气浓度传感器检测燃料电池电堆的阴极侧中的氢气浓度，通过氢气浓度传感器检测的数值确定是否进入正常启动。
可选的，所述电控模块包括放电电阻和电压检测元件，所述放电电阻与电堆电连接，所述电压检测元件用于监测燃料电池电堆的平均电压值。
可选的，所述水热循环组件包括水泵、水箱和第三截止阀，所述水泵的进水口与燃料电池电堆连通，所述水泵的出水口与水箱连通，所述第三截止阀一端与水箱连通，所述第三截止阀的另一端与燃料电池电堆连通。
通过采用上述技术方案，在燃料电池系统停机前，关闭第三截止阀，水泵进入低转速工作模式，水泵将冷却水流道中的水和多孔双极板中阴极、阳极流道中的水抽出，进一步降低冷启动过程中水冻结的可能性。
可选的，所述水泵的入水口与燃料电池电堆之间设置有负压传感器，所述负压传感器用于监测流道内的压力，所述负压传感器与水泵电连接。
通过采用上述技术方案，在水泵的入水口与燃料电池电堆之间设置负压传感器，保证负压不超过设定值；当负压传感器监测到负压过高时，降低水泵转速或关闭水泵，待负压降低后再提高水泵转速或开启水泵，尽可能将电堆内部水分抽出的同时也可以避免负压过高造成的膜电极损害。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.通过在燃料电池系统停机前进行规定压力氢气循环吹扫，吹扫过程中氢气通过多孔双极板到达燃料电池电堆的阴极侧，使燃料电池电堆的阴极侧均匀分布氢气气体；在燃料电池系统启动前，先打开氢气供应系统，待电堆阳极侧压力达到工作压力后，开启空气供应系统，空压机压缩一定量空气进入电堆阴极侧，待阴极侧压力达到工作压力时，关闭空气出口，使空气在燃料电池电堆的阴极侧循环，空气循环过程中与阴极侧的氢气发生氢氧反应而放热，利用反应放出的热量堆燃料电池电堆的内部进行加热，缓解燃料电池系统在外部环境温度较低的情况下启动时，燃料电池电堆内部的水容易冻结的问题，且不需要增加额外的加热结构，无需增加额外的功耗；除此之外，通过该控制方法，在燃料电池系统启动前，将燃料电池电堆的阴极侧中的氢气消耗完，降低燃料电池系统启动后氢气排除系统导致出现安全问题的可能性；
2.通过在第二三通的A口与燃料电池电堆之间设置氢气浓度传感器，在冷启动过程中，利用氢气浓度传感器检测燃料电池电堆的阴极侧中的氢气浓度，通过氢气浓度传感器检测的数值确定是否进入正常启动。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本申请实施例的整体结构示意图；
图2是本申请实施例中空气供应组件部分的结构示意图；
图3是本申请实施例中氢气供应组件部分和水热循环组件部分的结构示意图。
附图标记：100、燃料电池电堆；200、氢气供应组件；210、第二截止阀；220、引射器；230、第二三通；240、第二尾排阀；250、第二压力检测传感器；300、空气供应组件；310、空压机；320、第一压力检测传感器；330、第一三通；340、第一截止阀；350、第一尾排阀；400、水热循环组件；410、水泵；420、水箱；430、第三截止阀；440、负压传感器；500、氢气浓度检测件。
具体实施方式
为了更清楚的阐释本申请的整体构思，以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及各实施例中的特征可以相互结合。
本申请实施例公开一种燃料电池系统低温冷启动控制方法。参照图1和图2，一种燃料电池系统低温冷启动控制方法，控制方法应用的燃料电池系统包括燃料电池电堆100、氢气供应组件200和空气供应组件300，燃料电池电堆100的双极板为多孔双极板，燃料电池系统停机前进行规定压力氢气循环吹扫，使燃料电池电堆100的阴极侧均匀分布氢气气体。本实施例中所说的规定压力氢气在12-24kpa之间。控制方法主要包括以下步骤，S1：打开氢气供应组件200，使燃料电池电堆100的阳极侧压力上升到正常工作压力；S2：打开空气供应组件300，使燃料电池电堆100的阴极侧压力上升到正常工作压力；S3：关闭燃料电池电堆100的空气出口，使空气在燃料电池电堆100的阴极侧循环，空气在循环过程中与阴极侧的氢气进行氢氧反应，反应生成热量对燃料电池电堆100进行加热；S4：当燃料电池电堆100的开路电压达到规定数值且燃料电池电堆100的阴极侧的氢浓度下降到规定数值时，开启燃料电池电堆100的空气出口，燃料电池电堆100进入启动状态。
燃料电池系统在停机前进行规定压力氢气循环吹扫，吹扫过程中氢气通过多孔双极板到达燃料电池电堆100的阴极侧，使燃料电池电堆100的阴极侧均匀分布氢气气体。在燃料电池系统启动前，先打开氢气供应系统，待电堆阳极侧压力达到工作压力后，开启空气供应系统，空压机310压缩一定量空气进入电堆阴极侧，待阴极侧压力达到工作压力时，关闭空气出口，使空气在燃料电池电堆100的阴极侧循环，空气循环过程中与阴极侧的氢气发生氢氧反应而放热，利用反应放出的热量堆燃料电池电堆100的内部进行加热，缓解燃料电池系统在外部环境温度较低的情况下启动时，燃料电池电堆100内部的水容易冻结的问题，且不需要增加额外的加热结构，无需增加额外的功耗。除此之外，通过该控制方法，在燃料电池系统启动前，将燃料电池电堆100的阴极侧中的氢气消耗完，降低燃料电池系统启动后氢气排除系统导致出现安全问题的可能性。
参照图1，S3中，提高空压机310的转速，使空气循环更加快速，增加氢氧反应速率。通过在空气循环过程中，提高空压机310的转速，增大空气在燃料电池电堆100阴极侧的流动速度，从而提高氢氧反应速率，减少低温冷启动所需要的时间。
本实施例还公开了一种燃料电池系统，参照图1和图2，燃料电池系统包括燃料电池电堆100、氢气供应组件200、空气供应组件300、水热循环组件400和电控模块，氢气供应组件200、空气供应组件300和水热循环组件400均与燃料电池电堆100连通，燃料电池电堆100内部反应用于产生电能、热能和水，电控模块与燃料电池电堆100电连接，燃料电池电堆100的双极板为多孔双极板，空气供应组件300包括空压机310、第一三通330、第一截止阀340和第一尾排阀350，空压机310通过燃料电池电堆100与第一三通330的A口连通，第一三通330的B口与第一尾排阀350连通，第一尾排阀350的另一端与外部环境连通，第一三通330的C口与第一截止阀340连通，第一截止阀340的另一端与空压机310连通。
在低温冷启动的过程中，待阴极侧压力达到工作压力时，打开第一截止阀340，关闭尾排阀，将阴极出口处空气送回电堆入口，内部形成回路，使空气在燃料电池电堆100的阴极侧循环，空气循环过程中与阴极侧的氢气发生氢氧反应而放热，利用反应放出的热量堆燃料电池电堆100的内部进行加热，缓解燃料电池系统在外部环境温度较低的情况下启动时，燃料电池电堆100内部的水容易冻结的问题。
参照图2和图3，氢气供应组件200包括第二截止阀210、引射器220、第二三通230和第二尾排阀240，第二截止阀210一端与氢气气源连通，第二截止阀210的另一端与引射器220的进气端连通，引射器220的出气端通过燃料电池电堆100与第二三通230的A口连通，第二三通230的B口与第二尾排阀240连通，第二尾排阀240的另一端与外部环境连通，第二三通230的C口与引射器220的进口端连通。
在燃料电池系统停机前，第二尾排阀240打开，增大向燃料电池电堆100内部输送氢气的压力，利用干燥的氢气对燃料电池电堆100的阳极进行吹扫，一部分湿润氢气通过引射器220进行循环，另一部分湿润氢气通过尾排阀排出并将阳极侧的液态水带出；随着阳极侧干燥氢气的不断补充，最终使阳极侧充满干燥的氢气。
参照图3，引射器220与燃料电池电堆100之间设置有第二压力检测传感器250。通过在引射器220与燃料电池电堆100之间设置第二压力检测传感器250，利用第二压力检测传感器250检测燃料电池电堆100阳极侧的压力。
参照图2，空压机310与燃料电池电堆100之间设置有第一压力检测传感器320。通过在空压机310与燃料电池电堆100之间设置第一压力检测传感器320，利用第一压力检测传感器320检测燃料电池电堆100阴极侧的压力。
第二三通230的A口与燃料电池电堆100之间设置有用于检测燃料电池电堆100的阴极侧氢气浓度的氢气浓度传感器。通过在第二三通230的A口与燃料电池电堆100之间设置氢气浓度传感器，在冷启动过程中，利用氢气浓度传感器检测燃料电池电堆100的阴极侧中的氢气浓度，通过氢气浓度传感器检测的数值确定是否进入正常启动。
在一个较佳的实施例中，电控模块包括放电电阻和电压检测元件，放电电阻与电堆电连接，电压检测元件用于监测燃料电池电堆100的平均电压值。
在一个较佳的实施例中，水热循环组件400包括水泵410、水箱420和第三截止阀430，水泵410的进水口与燃料电池电堆100连通，水泵410的出水口与水箱420连通，第三截止阀430一端与水箱420连通，第三截止阀430的另一端与燃料电池电堆100连通。
在燃料电池系统停机前，关闭第三截止阀430，水泵410进入低转速工作模式，水泵410将冷却水流道中的水和多孔双极板中阴极、阳极流道中的水抽出，进一步降低冷启动过程中水冻结的可能性。
水泵410的入水口与燃料电池电堆100之间设置有负压传感器440，负压传感器440用于监测流道内的压力，负压传感器440与水泵410电连接。通过在水泵410的入水口与燃料电池电堆100之间设置负压传感器440，保证负压不超过设定值；当负压传感器440监测到负压过高时，降低水泵410转速或关闭水泵410，待负压降低后再提高水泵410转速或开启水泵410，尽可能将电堆内部水分抽出的同时也可以避免负压过高造成的膜电极损害。
本申请中未述及的地方采用或借鉴已有技术即可实现。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池系统低温冷启动控制方法，其特征在于：
所述控制方法应用的燃料电池系统包括燃料电池电堆、氢气供应组件和空气供应组件，所述燃料电池电堆的双极板为多孔双极板，所述燃料电池系统停机前进行规定压力氢气循环吹扫，使燃料电池电堆的阴极侧均匀分布氢气气体；
所述控制方法主要包括以下步骤，
S1：打开氢气供应组件，使燃料电池电堆的阳极侧压力上升到正常工作压力；
S2：打开空气供应组件，使燃料电池电堆的阴极侧压力上升到正常工作压力；
S3：关闭燃料电池电堆的空气出口，使空气在燃料电池电堆的阴极侧循环，空气在循环过程中与阴极侧的氢气进行氢氧反应，反应生成热量对燃料电池电堆进行加热；
S4：当燃料电池电堆的开路电压达到规定数值且燃料电池电堆的阴极侧的氢浓度下降到规定数值时，开启燃料电池电堆的空气出口，燃料电池电堆进入启动状态。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统低温冷启动控制方法，其特征在于：S3中，提高空压机的转速，使空气循环更加快速，增加氢氧反应速率。
3.一种燃料电池系统，其特征在于：包括燃料电池电堆、氢气供应组件、空气供应组件、水热循环组件和电控模块，所述氢气供应组件、空气供应组件和水热循环组件均与燃料电池电堆连通，所述燃料电池电堆内部反应用于产生电能、热能和水，所述电控模块与燃料电池电堆电连接，所述燃料电池电堆的双极板为多孔双极板，所述空气供应组件包括空压机、第一三通、第一截止阀和第一尾排阀，所述空压机通过燃料电池电堆与第一三通的A口连通，所述第一三通的B口与第一尾排阀连通，所述第一尾排阀的另一端与外部环境连通，所述第一三通的C口与第一截止阀连通，所述第一截止阀的另一端与空压机连通。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述氢气供应组件包括第二截止阀、引射器、第二三通和第二尾排阀，所述第二截止阀一端与氢气气源连通，所述第二截止阀的另一端与引射器的进气端连通，所述引射器的出气端通过燃料电池电堆与第二三通的A口连通，所述第二三通的B口与第二尾排阀连通，所述第二尾排阀的另一端与外部环境连通，所述第二三通的C口与引射器的进口端连通。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述引射器与燃料电池电堆之间设置有第二压力检测传感器。
6.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述空压机与燃料电池电堆之间设置有第一压力检测传感器。
7.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述第一三通的A口与燃料电池电堆之间设置有用于检测燃料电池电堆的阴极侧氢气浓度的氢气浓度传感器。
8.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述电控模块包括放电电阻和电压检测元件，所述放电电阻与电堆电连接，所述电压检测元件用于监测燃料电池电堆的平均电压值。
9.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述水热循环组件包括水泵、水箱和第三截止阀，所述水泵的进水口与燃料电池电堆连通，所述水泵的出水口与水箱连通，所述第三截止阀一端与水箱连通，所述第三截止阀的另一端与燃料电池电堆连通。
10.根据权利要求9所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述水泵的入水口与燃料电池电堆之间设置有负压传感器，所述负压传感器用于监测流道内的压力，所述负压传感器与水泵电连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310953116.6A CN116666689B (zh) | 2023-08-01 | 2023-08-01 | 一种燃料电池系统低温冷启动控制方法及燃料电池系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310953116.6A CN116666689B (zh) | 2023-08-01 | 2023-08-01 | 一种燃料电池系统低温冷启动控制方法及燃料电池系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116666689A true CN116666689A (zh) | 2023-08-29 |
| CN116666689B CN116666689B (zh) | 2023-12-08 |
Family
ID=87722831
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310953116.6A Active CN116666689B (zh) | 2023-08-01 | 2023-08-01 | 一种燃料电池系统低温冷启动控制方法及燃料电池系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116666689B (zh) |
Citations (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140120438A1 (en) * | 2012-10-29 | 2014-05-01 | GM Global Technology Operations LLC | Systems and methods for enhancing fuel cell vehicle startup |
| CN105390715A (zh) * | 2015-11-04 | 2016-03-09 | 北京氢璞创能科技有限公司 | 一种低温冷启动燃料电池系统及利用方法 |
| CN108878926A (zh) * | 2017-05-08 | 2018-11-23 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 用于燃料电池堆高效加热的燃料电池结构、热系统和控制逻辑 |
| CN108963301A (zh) * | 2017-05-17 | 2018-12-07 | 神华集团有限责任公司 | 用于冷启动质子交换膜燃料电池的方法和燃料电池发电系统 |
| CN109088082A (zh) * | 2018-08-21 | 2018-12-25 | 上海大学 | 一种金属堆燃料电池低温启动热控制系统及运行方法 |
| CN109888332A (zh) * | 2019-02-28 | 2019-06-14 | 吉利汽车研究院（宁波）有限公司 | 一种燃料电池热管理系统及热管理方法 |
| CN109921065A (zh) * | 2019-02-28 | 2019-06-21 | 中山大洋电机股份有限公司 | 一种燃料电池冷启动系统及冷启动控制方法 |
| CN110957503A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-04-03 | 同济大学 | 一种燃料电池低温启动的空气加热回流系统及控制方法 |
| CN210723237U (zh) * | 2019-11-12 | 2020-06-09 | 恒大新能源技术(深圳)有限公司 | 一种燃料电池冷启动装置 |
| CN111769310A (zh) * | 2020-06-16 | 2020-10-13 | 广东国鸿氢能科技有限公司 | 一种燃料电池系统 |
| CN112234228A (zh) * | 2020-10-15 | 2021-01-15 | 北京理工大学重庆创新中心 | 一种车载燃料电池氢气管道吹扫系统及方法 |
| CN113206277A (zh) * | 2021-04-12 | 2021-08-03 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种燃料电池低温快速自启动方法及系统 |
| CN113629277A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-11-09 | 同济大学 | 一种燃料电池系统及其停机吹扫方法 |
| CN113629270A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-11-09 | 同济大学 | 一种燃料电池阴极再循环低温启动系统及其控制方法 |
| CN114142066A (zh) * | 2021-10-15 | 2022-03-04 | 东风汽车集团股份有限公司 | 一种燃料电池冷启动系统、方法及车辆 |
| CN216213588U (zh) * | 2021-09-30 | 2022-04-05 | 潍柴巴拉德氢能科技有限公司 | 一种燃料电池低温冷启动结构以及燃料电池系统 |
| CN114883606A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-08-09 | 佛山市清极能源科技有限公司 | 一种燃料电池系统及其启动吹扫方法 |
| CN115692774A (zh) * | 2022-11-14 | 2023-02-03 | 国鸿氢能科技(嘉兴)股份有限公司 | 一种燃料电池加热系统 |
| CN116259801A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-06-13 | 上海锐唯新能源科技有限公司 | 一种燃料电池系统开机高效气体置换方法 |
| CN116264297A (zh) * | 2021-12-14 | 2023-06-16 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种低气压氢空燃料电池系统的低温启动方法 |
-
2023
- 2023-08-01 CN CN202310953116.6A patent/CN116666689B/zh active Active
Patent Citations (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140120438A1 (en) * | 2012-10-29 | 2014-05-01 | GM Global Technology Operations LLC | Systems and methods for enhancing fuel cell vehicle startup |
| CN105390715A (zh) * | 2015-11-04 | 2016-03-09 | 北京氢璞创能科技有限公司 | 一种低温冷启动燃料电池系统及利用方法 |
| CN108878926A (zh) * | 2017-05-08 | 2018-11-23 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 用于燃料电池堆高效加热的燃料电池结构、热系统和控制逻辑 |
| CN108963301A (zh) * | 2017-05-17 | 2018-12-07 | 神华集团有限责任公司 | 用于冷启动质子交换膜燃料电池的方法和燃料电池发电系统 |
| CN109088082A (zh) * | 2018-08-21 | 2018-12-25 | 上海大学 | 一种金属堆燃料电池低温启动热控制系统及运行方法 |
| CN109888332A (zh) * | 2019-02-28 | 2019-06-14 | 吉利汽车研究院（宁波）有限公司 | 一种燃料电池热管理系统及热管理方法 |
| CN109921065A (zh) * | 2019-02-28 | 2019-06-21 | 中山大洋电机股份有限公司 | 一种燃料电池冷启动系统及冷启动控制方法 |
| CN210723237U (zh) * | 2019-11-12 | 2020-06-09 | 恒大新能源技术(深圳)有限公司 | 一种燃料电池冷启动装置 |
| CN110957503A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-04-03 | 同济大学 | 一种燃料电池低温启动的空气加热回流系统及控制方法 |
| CN111769310A (zh) * | 2020-06-16 | 2020-10-13 | 广东国鸿氢能科技有限公司 | 一种燃料电池系统 |
| CN112234228A (zh) * | 2020-10-15 | 2021-01-15 | 北京理工大学重庆创新中心 | 一种车载燃料电池氢气管道吹扫系统及方法 |
| CN113206277A (zh) * | 2021-04-12 | 2021-08-03 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种燃料电池低温快速自启动方法及系统 |
| CN113629277A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-11-09 | 同济大学 | 一种燃料电池系统及其停机吹扫方法 |
| CN113629270A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-11-09 | 同济大学 | 一种燃料电池阴极再循环低温启动系统及其控制方法 |
| CN216213588U (zh) * | 2021-09-30 | 2022-04-05 | 潍柴巴拉德氢能科技有限公司 | 一种燃料电池低温冷启动结构以及燃料电池系统 |
| CN114142066A (zh) * | 2021-10-15 | 2022-03-04 | 东风汽车集团股份有限公司 | 一种燃料电池冷启动系统、方法及车辆 |
| CN116264297A (zh) * | 2021-12-14 | 2023-06-16 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种低气压氢空燃料电池系统的低温启动方法 |
| CN114883606A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-08-09 | 佛山市清极能源科技有限公司 | 一种燃料电池系统及其启动吹扫方法 |
| CN115692774A (zh) * | 2022-11-14 | 2023-02-03 | 国鸿氢能科技(嘉兴)股份有限公司 | 一种燃料电池加热系统 |
| CN116259801A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-06-13 | 上海锐唯新能源科技有限公司 | 一种燃料电池系统开机高效气体置换方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116666689B (zh) | 2023-12-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110957503B (zh) | 一种燃料电池低温启动的空气加热回流系统及控制方法 | |
| JP3999498B2 (ja) | 燃料電池システム及びその停止方法 | |
| JP5088333B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP7119705B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| CN100379065C (zh) | 可在低温环境下启动与运行的燃料电池发电系统 | |
| JPH11317236A (ja) | 燃料電池システム | |
| WO2008081977A1 (ja) | 燃料電池システム及び燃料電池システム搭載移動体 | |
| CN113506893B (zh) | 一种燃料电池系统及其低温启动方法 | |
| US7588844B2 (en) | Method of starting up operation of fuel cell at low temperature | |
| US6887598B2 (en) | Control system and method for starting a frozen fuel cell | |
| JP2003151597A (ja) | 燃料電池システム | |
| CN116682992B (zh) | 一种燃料电池系统及燃料电池电堆的停机吹扫方法 | |
| KR20180068159A (ko) | 연료전지 시스템 | |
| JP2007305334A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2009054427A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2017157273A (ja) | 燃料電池システムの発電停止方法 | |
| CN116666689B (zh) | 一种燃料电池系统低温冷启动控制方法及燃料电池系统 | |
| KR100527958B1 (ko) | 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템과 그 제어방법 | |
| JP2010027217A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP6307536B2 (ja) | 燃料電池システムの低温起動方法 | |
| JP2005025996A (ja) | 高分子型燃料電池システムおよびその運転方法 | |
| JP7367611B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP4784593B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| CN115101783A (zh) | 燃料电池系统 | |
| JP2011048922A (ja) | 燃料電池システム及びその運転停止方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |